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赛车轻量化的下一步,又何必是碳纤维?

2022-11-21 来源:高分子物理学公众号

历史性的飞跃碳纤维

    自 1950 年以来,作为赛车运动的金字塔顶尖赛事,F1 见证了各支车队为追求性能而不懈地挑战技术极限。但如果说有一项历史性的跨步,那一定是第一辆采用碳纤维单壳底盘的赛车,MP4/1 的问世。它轻巧、坚固,在安全方面实现了巨大的飞跃,至今仍对赛车设计产生着巨大的影响。

    迄今为止,碳纤维仍然在 F1 中扮演着举足轻重的角色—— 占现代 F1 赛车结构重量的 70% 左右。但是,如果有一种更便宜、更可持续的替代品呢?

    迈凯轮与瑞士可持续轻量化专家Bcomp合作开发出了天然纤维复合赛车座椅—— 这是第一个由可再生纺织纤维制成的 F1 赛车部件。通过织物结构优化亚麻纤维的机械性能,使座椅具有所需的强度和刚度,但与碳纤维相比,二氧化碳排放量下降了75%。

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亚麻纤维是怎样应用的?

 Bcomp 专有的 powerRibs™技术的灵感来自于叶子背面的细脉,它在座椅的一侧提供了一个极其轻巧的高性能天然纤维三维网格结构,用来加固 Bcomp 的优化纺纱和亚麻纤维增强织物,ampliTex™。powerRibs™ 通过将亚麻纤维加捻形成粗纱,作为与之粘合的 ampliTex™ 亚麻织物的骨架。 

    powerRibs™可以使弯曲刚度增加三倍,从而减少材料使用和重量,同时提高减震效果。当powerRibs™与ampliTex™技术面料结合使用时,它会形成完全天然的纤维铺层,与碳纤维的性能相匹配。同时,在增强碳纤维和玻璃纤维方面也表现出色。

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一、高性能、可持续、轻量化

    亚麻是一种不含二氧化碳的原料,其纤维可以被研磨成新的基材或热回收,而不会产生残留废物。同时,亚麻的机械性能使其成为高性能复合材料中有吸引力的可再生原料。亚麻纤维的管状结构提供了低密度和高刚度,从而有机会减轻重量,同时提高减震性以及抗断裂、抗扭转和抗压缩能力,比任何同等的碳材料轻 9%,并具有明显更好的减震效果。

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    笔者在此基础上了解到,大多数亚麻纤维增强聚合物(FFRP)受限于其低强度和低湿性性能。天然纤维增强聚合物 (NFRP) 复合材料仍限于非结构或亚结构应用,例如汽车、飞机和建筑的内部。

    将亚麻和碳纤维混合被认为是一种有效方法,可以结合亚麻纤维(环保、低成本)和碳纤维(卓越的机械和热液抗性)的优点。虽然碳纤维增强聚合物 (CFRP) 具有优异的拉伸性能,但其韧性有限。同时,与FFRP相比,生产出的杂交材料比天然纤维具有更好的刚度和强度。

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    上图显示了四种类型的板的拉伸应力和应变曲线。与 CFRP 不同,FFRP 表现出明显的非线性行为,其产生于亚麻纤维独特的细胞结构。与碳纤维的混合降低了所得复合材料的整体非线性。与纯FFRP复合材料相比,亚麻织物和碳纤维的混合使拉伸强度和模量增加。无论碳层位于两表面还是三复合材料的核心,两个混合系统的强度和模量都大于纯FFRP的强度和模量。

 

二、缓震与保护

   由于 Bcomp 的 ampliTex™ 亚麻织物和 powerRibs™ 技术,其性能提高了五倍。这种天然纤维材料具有更强的吸震性和抗冲击性,非常适合用于驾驶座。

    当它断裂时,与碳纤维不同,通过使损伤区变硬并加以限制,不容易发生脆性断裂和劈裂。在 powerRibs™ 的帮助下,较软的碎片仍然附着在主结构上,有助于消散能量。在赛道上发生的事故中,碰撞后产生的碳纤维碎片使车手的比赛变得支离破碎。在赛车前翼端板和底板使用天然纤维复合材料,可以减少碳纤维碎片,从而降低爆胎的风险。

    笔者稍做了解,碳纤维和亚麻纤维的混合可以提高复合材料的能量吸收能力。虽然CFRP复合材料具有优异的机械强度和耐用性,但韧性有限,不适合能量吸收应用,而FFRP具有细胞结构和低密度的优势。混合可以改善天然纤维和合成纤维的最大弱点,同时生产具有出色冲击能量吸收和更好的承载能力的环境友好型材料。在能量为4 J的冲击下,麻纤维/玻璃纤维混合复合材料的固有强度和刚度仅损失30%,而在同样的冲击能量下,麻纤维复合材料的损耗为70%。

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    如上图所示,能量为104 J的冲击时,材料强烈振荡,曲线显示较大的冲击波。亚麻纤维的内部细胞腔结构具有更大的可变形性。5F 层压板的峰值反应力低于其他配置,峰值负载时存在扩展的高原就证实了这一点。与 5F 复合材料相比,CFFFC 和 FCFCF 混合复合材料的初始损伤点都较高。CFFFC 样品具有巨大的能量吸收潜力。与5C样品相比,FCFCF和CFFFC样品的能量吸收率分别增加了13.25%和28.89%。

 

三、成本与发展前景

   Bcomp 的 ampliTex™ 和 powerRibs™ 解决方案与传统的碳纤维相比,原材料成本降低了 30%,这种显著的节约可以释放出预算来探索其他提高赛车性能的方法,同时保持甚至提高性能。

    目前,大部分用于制造汽车零部件的模具,都是由碳纤维复合材料制成的,因为它的热膨胀率低。然而,亚麻纤维也具备这一特性,有可能使其成为适合于用标准复合材料制造的性能部件的模具材料。拥有如此多的潜在应用,天然纤维复合材料赛车座椅只是一个开始。

 

 

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